彩色CIGS光伏发电技术在BIPV中的示范应用

董 力，王裕奎，范新宇，张喜山

(1. 中国节能减排有限公司，北京 100011；2. 国能科环新能源有限责任公司，北京 100039； 3. 沈阳建筑大学建筑与规划学院，沈阳 110168；4. 国家能源集团绿色能源与建筑研究中心，北京 102211)

0 引言

2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论会宣布：中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2020年9月22日至2021年4月22日，习近平主席至少在9次国际会议、3次国内会议及考察福建省时的讲话中先后阐述了碳达峰和碳中和的目标、意义、政策、措施、行动等内容[1]，因此，实现碳达峰、碳中和已上升为国家战略和基本国策。而建筑领域是中国碳排放“大户”，2018年，中国建筑的全过程碳排放总量为49.3亿t，占全国碳排放总量的比重为51.3%；其中，建筑运行阶段的碳排放量为21.1亿t，占全国碳排放总量的比重为21.9%[2]。建筑领域的“降碳减排”不仅对实现碳达峰、碳中和目标至关重要，而且对推进中国经济和能源系统向低碳化转型具有重要意义。

建筑光伏一体化(BIPV)是将光伏发电产品融合到建筑材料和建筑构件上的应用技术，该技术是在建筑外围护结构的表面集成光伏组件，一方面，可通过光伏发电为建筑提供电力能源；另一方面，作为建筑结构的功能部分，可取代部分传统的建筑结构，比如屋顶板、幕墙、窗户、遮阳棚等。BIPV技术可把建筑由能源消耗型的用户转变为能源生产型的新兴力量，通过光伏发电与建筑的融合，最大化利用清洁能源，且BIPV组件的发电过程充分利用建筑物屋顶和立面的垂直空间，不额外占用土地，降低了建筑能耗，进而可减少建筑运行阶段的碳排放量。

本文通过对国家能源集团的彩色铜铟镓硒(CIGS)光伏发电技术应用于建筑光伏一体化(BIPV)的科技示范项目——海南省陵水县珊瑚宫殿商业中心光伏示范建筑(下文简称为“彩色CIGS-BIPV示范建筑”)的建设和运行情况进行了分析，研究了彩色光伏幕墙在商业建筑的布局、彩色光伏建筑外观的设计表达、彩色CIGS-BIPV组件的设计制造、彩色CIGS-BIPV组件在光伏幕墙的排布、彩色CIGS-BIPV组件的构造体系和光伏幕墙装配方法等技术，对彩色CIGS-BIPV技术路线进行了探索。

1 彩色CIGS-BIPV示范建筑中光伏幕墙的设计

1.1 彩色CIGS-BIPV示范建筑的概况

本文研究的彩色CIGS-BIPV示范建筑属于海南省陵水县珊瑚宫殿地产项目，该地产项目由碧桂园集团开发，位于中国海南省海南岛南端的海棠湾和清水湾之间，依山面海。彩色CIGS-BIPV示范建筑的本体为珊瑚宫殿商业中心，该商业中心位于珊瑚宫殿地产项目的核心区域，为地上4层、地下2层的商业综合体建筑，其商业功能包括超市、商铺、影院等；商业中心的占地面积为23482 m2，总建筑面积为51739 m2；商业中心分为3个体量，中部为商业步行街；建筑的总体风格为现代风格，外形呈不规则曲线，造型活泼。

1.2 光伏幕墙的布局设计

示范建筑的外立面朝向多变，这对光伏幕墙的布局设计并不友好。光伏幕墙的布局设计需要达到光伏幕墙发电效率最大化、商业功能适用、建筑形象美观三者之间的平衡。为达到这一平衡，通过日照分析软件建立示范建筑外立面的日照情况模型，模拟分析示范建筑各外立面在不同季节、不同时段的日照情况。该示范建筑在典型日不同时段时的日照情况模拟图如图1所示。

根据图1示范建筑的日照情况模拟结果，最终选择太阳辐照度较好、不影响建筑商业性表达、视觉效果显著的建筑东南侧外墙、西南侧外墙及中部女儿墙采用光伏幕墙形式。光伏幕墙在该建筑上的布局位置(图中绿色部分)示意图如图2所示。

1.3 光伏幕墙的色彩表达设计

由于彩色CIGS-BIPV示范建筑地处碧海蓝天的地域环境，营造海洋文化特色和繁华的商业氛围是该建筑外观设计的出发点。因此，以海洋和蓝天为主题对该光伏幕墙进行设计，设计了蓝灰色系的光伏幕墙色彩表达方案。该方案以蓝灰色进行搭配，并降低色彩饱和度，形成3种偏蓝色的冷灰组合，既突出了建筑本身的色彩特征，又与绚丽的商业广告形成了图底关系，实现了建筑与商业招牌的整体性与协调性；同时，此方案还可以与建筑内各层外露的立体绿化和谐共存，使整个彩色CIGS-BIPV示范建筑自然有机地融入地域环境中[3]。

该光伏幕墙由彩色CIGS-BIPV组件排布形成，主色调统一，多色彩结合，使其成为该示范建筑的特色之一，并有效提升了建筑的整体形象。彩色CIGS-BIPV示范建筑采用蓝灰色系时的设计效果图如图3所示。

2 彩色CIGS-BIPV组件的开发

2.1 彩色CIGS-BIPV组件的技术特点

CIGS薄膜太阳电池的吸收层是Cu(In，Ga)Se2四元化合物，属于直接带隙半导体；该吸收层的光吸收系数高达105cm-1量级、厚度可降至1～2 µm之间。CIGS薄膜太阳电池的实验室最高光电转换效率已达到23.35 %[4]，是具有广泛应用前景的太阳电池技术。

CIGS薄膜太阳电池的原色为纯黑色，但纯黑色的光伏组件难以满足建筑形象的多样化需求。为此，国家能源集团开发出了可以满足建筑形象多样化需求的彩色CIGS-BIPV组件。彩色CIGS-BIPV组件是通过丝网印刷工艺对该组件的封装玻璃盖板进行着色，形成分布均匀的色点，再以CIGS薄膜太阳电池本身的黑色作为底色，从而叠加形成多种色彩表达。

采用该技术制作的彩色CIGS-BIPV组件具有以下特点：

1)可通过印刷色点颜色的变化来调整彩色CIGS-BIPV组件的色相和饱和度；2)可通过印刷色点的疏密来控制彩色CIGS-BIPV组件的明暗度；3)可以利用RAL等国际标准色卡进行标准化调色，从而实现彩色CIGS-BIPV组件的大规模量产。

2.2 彩色CIGS-BIPV组件参数

根据本彩色CIGS-BIPV示范建筑中光伏幕墙的色彩表达设计，国家能源集团设计和生产了3种蓝灰色系的彩色CIGS-BIPV组件，实物图如图4所示；3种彩色CIGS-BIPV组件的主要参数如表1所示。

表1 3种蓝灰色系的彩色CIGS-BIPV组件的主要参数Table 1 Main parameters of three kinds of colored CIGS-BIPV modules in blue-gray system

图4 3种蓝灰色系的彩色CIGS-BIPV组件实物图Fig. 4 Photo of three kinds of colored CIGS-BIPV modules in blue-gray system

3 彩色CIGS-BIPV组件在示范建筑中的应用

3.1 彩色CIGS-BIPV组件的排布设计

由于不同颜色的彩色CIGS-BIPV组件的光电转换效率等技术参数不同，若将不同技术参数的彩色CIGS-BIPV组件串联在1个光伏组串中，光伏组串整体的发电效率会受制于其中光电转换效率最低的彩色CIGS-BIPV组件，形成木桶效应。因此，在该彩色CIGS-BIPV示范建筑中，彩色CIGS-BIPV组件的排布设计需要与光伏组串的连接方式相协调，以实现光伏幕墙发电效率的最大化。

基于此，彩色CIGS-BIPV组件的排布设计采用条带式排布方案，该方案主要包括以下内容：

1)将相同颜色、相同技术参数的彩色CIGSBIPV组件串联在同一个光伏组串，以提高光伏幕墙的发电效率；

2)同一个光伏组串内，同色的彩色CIGSBIPV组件紧邻排布，包括横向、竖向、斜向或面区，便于安装，并可节约连接电缆；

3)以光伏组串为单位进行色彩错位排布，以满足彩色CIGS-BIPV示范建筑外观的色彩变化和视觉表达；

4)光伏组串的排布需考虑建筑形式的要求，并注意光伏组串排布与建筑模数之间的关系，以平衡彩色CIGS-BIPV组件的发电功能和建筑形式的要求。

彩色CIGS-BIPV组件在示范建筑不同外墙上的排布设计如图5所示。

图5 彩色CIGS-BIPV组件在示范建筑中的排布设计图Fig. 5 Layout design of colored CIGS-BIPV modules in the demonstration building

彩色CIGS-BIPV示范建筑中，彩色CIGSBIPV组件与电气系统的连接方式如图6所示。

图6 在彩色CIGS-BIPV示范建筑中，彩色CIGS-BIPV组件与电气系统的连接方式图Fig. 6 Connection mode diagram between colored CIGS-BIPV modules and electrical system in the colored CIGS-BIPV demonstration building

a. 东南侧建筑外墙墙面的彩色CIGS-BIPV组件的排布设计(单位：mm)

3.2 光伏幕墙的构造设计

传统玻璃幕墙的结构形式大致可分为明框式、隐框式(包括全隐框式和半隐框式)、全玻式和点支式[5]。除全玻式和点支式结构形式外，其他几种结构形式都是通过副框和压块的方式将玻璃板块固定在玻璃幕墙的龙骨上。

BIPV组件可以看做是能发电的玻璃板块。采用明框式结构形式时，是将BIPV组件镶嵌在副框内部，作为扣盖部分的型材会在BIPV组件上产生阴影，从而会影响整个光伏幕墙的发电效率。采用隐框式结构形式时，是采用硅酮结构密封胶将BIPV组件粘结固定在副框上；但该结构形式一方面存在结构密封胶与BIPV组件之间有效粘结强度的问题，另一方面存在结构密封胶与BIPV组件的发电薄膜接触会产生电势诱导衰减(PID)效应，从而导致光伏组件光电转换效率降低的风险。同时，按照国家有关玻璃幕墙安全防护的规定，人员密集、流动性大的商业中心、公共文化体育设施等场所严禁采用全隐框式玻璃幕墙[6]，从而限制了全隐框式结构形式的使用范围。

综上所述，结合BIPV组件的特点，本文设计了新型铝合金副框来连接、固定BIPV组件，形成一种介于明框式与隐框式之间的小边框结构形式[7]。该结构形式具有以下特点：

1)由专用的双面贴来粘贴BIPV组件和副框，BIPV组件的发电薄膜不接触副框，从而可避免PID效应的产生；

2)副框边缘按照BIPV组件的特性来设计，避开了BIPV组件的发电薄膜区域，并进行倒角处理，因此边框不会产生阴影遮挡；

3)副框的形状和尺寸实现了接线盒避位；

4)副框采用定距压块连接的构造，满足了光伏幕墙的受力要求，同时还可以吸收安装误差和平面变形；

5)由于副框与BIPV组件的玻璃侧面和边缘不发生刚性接触，因此使BIPV组件在运输和安装过程中能得到很好地保护。

小边框结构形式的铝合金副框截面和副框阴影、接线盒避位示意图如图7所示。

图7 小边框结构形式的铝合金副框截面和 副框阴影、接线盒避位示意图Fig. 7 Schematic diagram of aluminum alloy sub frame section， shadow of sub frame and junction box avoidance in the small frame structure form

本文设计开发了小单元构造体系，即彩色CIGS-BIPV组件小单元与龙骨通过小边框结构形式的铝合金副框固定。小单元构造体系下，每个彩色CIGS-BIPV组件可以单独拆卸与安装，运行维护简单。彩色CIGS-BIPV组件安装时的横剖节点示意图如图8所示，彩色CIGS-BIPV幕墙的装配示意图如图9所示。

图8 彩色CIGS-BIPV组件安装时的横剖节点示意图(单位：mm)Fig. 8 Schematic diagram of cross sectional node of colored CIGS-BIPV module during installation (Unit: mm)

图9 彩色CIGS-BIPV幕墙的装配示意图Fig. 9 Assembly diagram of colored CIGS-BIPV curtain wall

3.3 彩色CIGS-BIPV示范建筑的建设效果

珊瑚宫殿商业中心共安装彩色CIGS-BIPV组件1167块，总装机容量为89.0268 kW。不同颜色的彩色CIGS-BIPV组件的具体安装数量如表2所示。

表2 不同颜色的彩色CIGS-BIPV组件的 具体安装数量Table 2 Specific installation quantity of colored CIGS-BIPV modules in different colors

该彩色CIGS-BIPV示范建筑在2019年11月建设完成并通过验收，之后投入运行且顺利并网发电。经过1年多的连续运行发电，该示范建筑在各种气候、环境乃至极端天气下均可安全、可靠的运行。彩色CIGS-BIPV组件正常发电时，示范建筑的建设效果图如图10所示。

图10 彩色CIGS-BIPV示范建筑的建设效果图Fig. 10 Photo of construction effect of colored CIGS-BIPV demonstration building

4 结论

本文通过对珊瑚宫殿商业中心彩色CIGSBIPV示范建筑的建设和运行情况进行研究，验证了彩色CIGS-BIPV组件可以满足建筑形象多样化的需求，采用其打造的彩色CIGS-BIPV建筑具有很好的形象表达和更高的审美价值。该示范项目取得了以下成果：

1)开发出了彩色CIGS光伏发电技术在BIPV中的应用技术，探索了彩色CIGS-BIPV模式的新型分布式能源技术路线；

2)设计了彩色CIGS-BIPV示范建筑方案，很好地表达出了示范建筑环境特征和文化特色的需要，实现了光伏幕墙发电效率、建筑形象色彩表达、建筑模数三者之间的平衡。

3)建立了彩色CIGS-BIPV组件的构造体系，可满足施工安装需求，不影响光伏幕墙发电效率，且运行维护简单。